浅谈非饱和带补给测量方法

刘 莉， 张永浩， 刘 艳， 石建芳

(西北核技术研究所，陕西西安 710024)

浅谈非饱和带补给测量方法

刘 莉， 张永浩， 刘 艳， 石建芳

(西北核技术研究所，陕西西安 710024)

非饱和带补给测量一直是水文地质研究的一个难点问题。近年来，由于对非饱和带污染物的运移以及干旱半干旱地区环境问题关注度的提升，使得其测量技术有了很大发展。介绍了物理方法、示踪剂方法和数值模拟方法的应用条件以及选择原则。明确补给研究背景，全面了解场地特点。并要考虑测量方法的适用范围、测量周期及其它一些因素。同时由于各种方法均具有局限性，因此在实践中要综合应用多种方法，以增加计算结果的可靠性。

水文地质;非饱和带;补给;测量方法

刘莉，张永浩，刘艳，等.浅谈非饱和带补给测量方法［J］.东华理工大学学报：自然科学版，35(3)：276-280.

Liu Li，Zhang Yong-hao，Liu Yan，et al.Preliminary discussion on the recharge estimated methods in the unsaturated zone［J］.Journal of East China Institute of Technology(Natural Science)，35(3)：276-280.

补给测量的方法有多种，研究人员将其分为:直接方法和间接方法;物理、化学和同位素方法;含水层响应和径流流入/流出的方法;饱和带非饱和带方法;地下水、土壤水或地下水-土壤水数值模拟及场地尺度或流域范围内的水文平衡模拟等方法(Sophocleous，2004)。非饱和带是介于地面与潜水面之间的复杂三相体系，是连接潜水与大气降水的重要通道，土壤水文活动活跃。与地下水和地表水补给测量相比，非饱和带受气候和外界因素影响强烈，因此其补给测量的难度更大。综合上述方法并结合非饱和带补给研究，可将其补给测量方法分为物理方法、示踪剂法和数值模拟方法(Scanlon et al.，2002;汪丙国，2008;Allison et al.，1994)。

近年来，由于人们对非饱和带污染物的运移以及废物处置问题关注度的提升，使得其测量技术有了很大发展。目前，非饱和带补给测量技术主要应用于干旱半干旱地区。如何选择合适的测量方法，需要考虑多种因素，透彻理解各种方法的原理和适用范围。

1 物理方法

1.1 水均衡法

水均衡法是根据质量守恒定律，对土壤层(或非饱和带)写出水量平衡方程，只要弄清计算区域边界范围内外的水分交换量，取得水量平衡分量的测定值，就可以得到所求补给量的值，Scanlon等(1997)列出了水均衡法计算公式，Kumar(2003)给出了其实施详细步骤。该方法的优点是限制条件少，适用范围大，但其精度取决于各平衡分量的测定，其中有效降水量、土壤水蓄水量和蒸发量较难确定，特别是在干旱地区潜在蒸发量往往等于甚至远远超过降雨量(Allison et al.，1994)。

式中R为补给量(mm/a);P为降水量(mm/a);ET为蒸散发量(mm/a);R0为地表径流(mm/a);ΔS为土壤蓄水量的变化(mm/a)。

1.2 蒸渗仪法

蒸渗仪是一种埋设在田间或温室内地下装满土壤的大型仪器，其土壤表面或裸露或种植各种作物，在限定三维边界条件下测定水体转化的装置。根据水均衡原理对土壤水收支的每一分量精确测量，以获得裸土或作物的腾发量、潜在腾发量以及深层渗漏量。一般分为非称重式和称重式土壤蒸渗仪两类，非称重式蒸渗仪可用于测量降雨和蓄水量，称重式土壤蒸渗仪则可精确测量蒸散发(姜峻等，2008;陈建耀等，1999;陈建峰，2009)。随着电子技术、核技术、土壤物理学等领域的进展，蒸渗仪在形式、结构、精度和功能方面不断改进，其精度高，不仅用于农田水利，而在环境工程等领域得到新的应用。使用蒸渗仪的缺点在于其设备安装复杂、成本高、对环境有扰动，只能限于监测期内的补给量计算。

1.3 零通量面法

零通量面是因为非饱和带中往往存在着水分上行运动和下行运动的界面(蒸散发和排泄)，其垂直水头压力梯度为零，以零通量面称之。零通量面土壤水收支变化可采用负压计、中子水份仪及TDR等仪器测量或计算(何其华等，2003;王永义，2006)，适合全年土壤含水率变化较大、地下水埋深远大于零通量面的地区。其局限性在于降雨量比较大或气候比较寒冷的地区，零通量面存在的时间较短(葛帆等，2004)，只能在一年中某一时间内使用;另外不能用于土壤水运动贯穿整个剖面的情况，因为下行水湿润锋会模糊零通量面。与蒸渗仪一样，零通量面法也只能计算监测期内的补给。杨建锋等(1997)采用零通量面法在沈阳地区测定了地下水入渗补给量;范琦等(2006)在河北栾城地区应用零通量面法进行包气带水分运移监测，并计算了地下水补给。

1.4 达西定律法

非饱和带补给也可用达西定律来计算，该法要求计算垂直水力梯度和非饱和水力传导率，计算公式见式2。该方法的显著特点是可以全年应用，能在较长时间范围内对单点补给进行测量;当在深渗流区应用时，其测量值代表的区域范围更大。采用达西定律和饱和—非饱和带模型模拟时，都会因为水力传导率测量准确性、数据适用性(如实验室数据与野外数据)及其空间变异性导致误差(Weinzettel et al.，2002)，并且当水力传导率与体积含水率非线性相关时，会导致误差放大，这些不确定因素综合起来会导致测量结果发生量级变化。李明香等(2000)在中辐院山西太原试验场进行了黄土包气带水分运移研究，应用达西定律计算出包气带补给;Palolo等(2002)在阿根廷某平原地区应用达西定律和水均衡法测定了包气带入渗补给，两种方法测得的结果相近。

式中 K(θ)为水力传导率(cm/s);H为总水头(cm);h为基岩压力水头(cm);z为位置水头(cm)。

2 示踪剂方法

目前常用两类示踪剂:一是人工示踪剂，包括溴化物、氚和染色剂等;二是环境示踪剂，包括天然环境中存在的或者由过去人类活动、事件产生的物质，如氢氧同位素、大气层核试验产生的T/36Cl、工业或农业污染源如溴化物、硝酸盐等。这些标志物的出现，表明该处在某时间段内接受了补给，为计算近期补给提供了定量依据。通常采用的方法是开挖探槽或剖面对示踪剂的迁移进行观察和取样，分三类计算方法:⑴根据示踪剂峰值的位置计算;⑵根据土壤中示踪剂剖面的形态来计算;⑶根据示踪剂输入总量及剖面累积量来计算(Sophocleous，2004)。如Norris等(1987)在美国Yucca山附近应用核爆产生的36Cl峰值计算包气带大气降水入渗速率;张之淦等(1990)在山西应用环境氚峰值位置研究黄土包气带水入渗补给量;王福刚等(2007)在新乡应用D、18O同位素峰值位移法计算了通过包气带的大气降水入渗补给量。近年来出现了氯离子示踪法，即根据降水输入氯离子浓度与土壤水中氯离子浓度之比值反求降水的入渗补给量，在实际应用中又分为氯离子质量平衡法和氯离子累积法(Sophocleous，2004;陈植华等，1996)。如 Scanlon(1991)应用氯质量平衡法测定了某废物处置场包气带水通量;马金珠等(2004)在巴丹吉林沙漠采用氯质量平衡法结合氢氧同位素法测定了地下水多年平均补给率;聂振龙等(2011)利用氯质量平衡法计算了张掖盆地降水入渗速率。

在补给量较小的地区，由于缺少其它合适的方法，多采用示踪剂法(万军伟，2003;汪丙国等，2006)。示踪剂方法的计算结果及解译受其入渗机理的影响，比如示踪剂的二次输入及混合问题、优先流问题等，导致计算结果偏高或者偏低，甚至无法应用(Scanlon，2000)。并且由于示踪剂是间接计算补给，不能提供相关补给细节。

3 数值模拟方法

数值模拟法就是在计算机上采用离散化的方法求解数学模型，它的解是数学模型的近似解。由于这种方法能较好的反映复杂地质条件下地下水流的状态，具有较高的仿真度，因此发展较快(郭晓东等，2010)。近年来由于计算机技术的发展，使得模拟长期补给成为可能，对于非饱和多孔介质中水流运动，主要以Richards方程为基础(杨建锋等，2005)，广泛采用的程序有 HYDRUS-1D，HYDRUS-2D，VS2DT，UNSAT-H，FEFLOW 软件等(表 1)(Fayer，2000;Gassman et al.，2007;王旭东等，2004)，但同时还须结合实验研究和具体地质条件的研究(芮孝芳等，2004;薛禹群，2010)，比如结合蒸渗仪、示踪剂、含水率和温度等数据(Scanlon，1997)。数值模拟还可用来进行水流过程以及参数敏感性分析。其缺点在于模拟所需数据量大，并且结果受各输入参数的影响。数值模拟方法对时间尺度没有限制，但是气候数据的时效性将其测量时间限制在 100 a左右(Scanlon，1997)。韩锦萍(2005)、范磊(2008)采用HYDRUS-1D程序对鄂尔多斯盆地的包气带水分运移及降水入渗补给进行了数值模拟，作为实验结果的验证手段。

表1 部分数值模拟软件简介Table 1 Introductionof the numerical simulation software

4 测量方法应用原则

毫无疑问，补给测量方法的选择与环境因素紧密相关，包括地理环境、气候、土壤地质及水文地质条件、植被、土地使用情况等。除此之外，主要关注以下三个方面:

⑴补给研究背景。包括研究目的、补给源、补给机理、补给量及地下水埋深等，并通过对具有相似气候、地理环境的场地的对比分析，预测补给量，以选择恰当的方法。如在水资源评价对非饱和带水分迁移转化规律研究中，其时空尺度通常较大;示踪剂方法有时是唯一能提供完整、长期补给信息的方法，例如采用氯离子示踪法;较厚的非饱和带会导致某些示踪剂如CFCs浓度及比值的改变(万军伟等，2003);在应用环境示踪剂时，要求补给量能使示踪剂既能穿过根系层但又不会迁移太深，反映了非饱和带厚度和示踪剂峰值定位对该方法的限制。

⑵测量方法适用范围。包括计算方法所适用的时空尺度、测量精度、可靠性等，图1为各补给测量方法综合比较(Scanlon et al.，1997，2006)。

⑶其它因素。主要是测量时间及费用方面的考虑，如水均衡法和蒸渗仪需要长期监测，而其它方法所需时间则较短;就研究成本而言，化学和同位素示踪剂方法的采样和分析都较为复杂繁琐，甚至需要质谱仪和液闪仪等高新技术和设备(万军伟等，2003)，但采样通常为一次性，与长期持续监测所需要的设备以及数据收集、分析测定所耗费的资源相比，其效率也许更高。

5 结语

补给测量首先需要全面了解场地特点，建立正确的概念模型，针对场地特点和研究目的选择恰当的方法。水均衡法较为适合湿润地区，该法明显受植被和土地使用情况影响;蒸渗仪法的监测周期长、费用高，对环境有扰动;零通量面法则与补给量大小及零通量面的存在相关;达西定律法在干旱地区应用时，土壤含水率及非饱和传导率对其影响较大;示踪剂法技术应用较广，是干旱地区其它方法难以应用时的最佳选择;数值模拟方法则受概念模型及各输入参数精度的限制。总体来说，非饱和带补给通常是对单点或者局部区域进行测量，但如果将区域内多点地形数据及其补给计算结果结合起来，就可推及较大区域;由于每种技术方法都有局限性，所以要综合应用多种方法，反复迭代、逐步优化和相互补充。

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图1 补给测量方法比较Fig.1 Comparison of the recharge estimate methods(Modified from Scanlon et al.)

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Preliminary Discussion on the Recharge Estimated Methods in the Unsaturated Zone

LIU Li， ZHANG Yong-hao， LIU Yan， SHI Jian-fang
(Northwest Institute of Nuclear Technology，Xi'an，SX 710024，China)

To estimate the recharge in the unsaturated zone is a difficult problem in the hydrogeological fields.In recent years，the estimate methods develop greatly because the problems of contaminant migration and waste disposal in unsaturated zone have attracted more attention.The physical，tracers and numerical methods respectively are introduced，and some advices on choosing the appreciated methods are given.First of all，the background of the study is important.The applicability and reliability of the methods must be considered as well as some other factors.For each method has its limitations，multiple techniques should be used to increase reliability of results in practice.

hydrogeology;unsaturated zone;recharge;estimate methods

P64.131

A

1674-3504(2012)03-0276-05

10.3969/j.issn.1674-3504.2012.03.012

2011-12-16 责任编辑:吴志猛

刘 莉(1973—)，女，工程师，主要从事环境地质研究。E-mail:liuliml@sohu.com